宋本超

(棗莊科技職業(yè)學(xué)院,滕州 277500)

液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝研究

宋本超

(棗莊科技職業(yè)學(xué)院,滕州 277500)

介紹了一種高速旋轉(zhuǎn)模塑工藝成型纖維增強樹脂基復(fù)合材料制品新工藝,研究了該工藝方法及成型原理.對膜腔內(nèi)樹脂的流動行為進行了理論分析,并采用有限元軟件ANSYS對膜腔內(nèi)樹脂的流動進行了模擬,得到了膜腔內(nèi)各時刻樹脂流動前沿及充模完成時間,為設(shè)定合適的工藝參數(shù)提供了依據(jù).

旋轉(zhuǎn)模塑;離心力;長纖維增強;流動前沿

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)模塑工藝是一種成型大型或超大型中空塑料制品的一種工藝方法[1],由于其突出的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來.傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝分為4個步驟:①把定量的塑料粉末或短纖維與塑料粉末的混合料裝入鐵制或鋁制的模具型腔內(nèi);②閉合模具,加熱模具,同時使模具繞2條相互垂直的軸線旋轉(zhuǎn);當(dāng)金屬模具被加熱到一定的溫度時,模內(nèi)的塑料熔融并根據(jù)模具型腔的形狀形成涂層;③待所有塑料熔融后,模具開始被冷卻并繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直到塑料完全硬化;④打開模具取出制品.

目前旋轉(zhuǎn)模塑制品的應(yīng)用十分廣泛,從幾克小的洗耳器到幾十立方米的超大型儲罐,從最簡單的球體到異常復(fù)雜的藝術(shù)品,都可以采用旋轉(zhuǎn)模塑工藝生產(chǎn)[2].隨著旋轉(zhuǎn)模塑制品應(yīng)用領(lǐng)域的擴展,對旋轉(zhuǎn)模塑制品強度的要求越來越高.由于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)模塑所使用原材料及工藝特點,無法使用長纖維進行增強制得高強度的纖維增強復(fù)合材料制品.而反應(yīng)型樹脂旋轉(zhuǎn)模塑成型技術(shù),由于使用了液態(tài)原料,成型過程不需加熱并且增強方式靈活,可制得長纖維增強或纖維織物增強高性能復(fù)合材料制品,從而獲得研究者的青睞.筆者也進行了這方面的研究,發(fā)現(xiàn)液態(tài)反應(yīng)型樹脂旋轉(zhuǎn)模塑成型長纖維增強復(fù)合材料制品的最大缺陷在于制品內(nèi)部氣泡的存在.制品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的主要原因在于旋轉(zhuǎn)速度較低,樹脂浸潤纖維的驅(qū)動力較小,很難完全驅(qū)除長纖維或纖維織物內(nèi)空氣,從而在制品內(nèi)部形成氣泡[3].

本文在液態(tài)原料旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝研究的基礎(chǔ)上,利用離心力驅(qū)動樹脂浸潤纖維提高模具的旋轉(zhuǎn)速度,驅(qū)除纖維或織物內(nèi)部空氣,減少制品內(nèi)部氣泡數(shù)量,減小氣泡大小,提高制品的強度.

1 工藝原理

液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑成型原理如圖1所示.鋪放有纖維織物的模具繞中心軸高速旋轉(zhuǎn),液態(tài)反應(yīng)樹脂膠液從儲料箱經(jīng)輸料管道流入模具型腔.由于離心力的作用,型腔內(nèi)的液態(tài)樹脂沿模具內(nèi)壁向另一端流動,這樣就能驅(qū)趕出纖維織物內(nèi)的空氣,完成樹脂對纖維織物的浸潤.反應(yīng)性樹脂固化即可脫模獲得制品.

圖1 液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑成型原理圖

液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝分為4道工序:首先處理模具、鋪放纖維織物,模具處理的關(guān)鍵是對模具的清理及脫模劑的涂敷;然后配制樹脂膠液,配制的樹脂膠液應(yīng)注意有足夠長的固化時間,能夠完成充模過程;將配制好的樹脂膠液倒入儲料箱,同時打開高速模塑機使模具高速旋轉(zhuǎn),打開輸料管道閥門使一定量樹脂很快流入型腔;最后待樹脂固化后脫模,獲得制品.

2 數(shù)學(xué)模型

在高速旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝中,液態(tài)樹脂從模具的一端加入.由于模具的高速轉(zhuǎn)動,液態(tài)樹脂隨模具做圓周運動,在離心力作用下產(chǎn)生軸向壓力,從而驅(qū)使樹脂向模具另一端流動而浸潤纖維.液態(tài)樹脂內(nèi)質(zhì)點的運動十分復(fù)雜,有圓周運動,又有軸向運動,且在流動過程中樹脂本身也發(fā)生著復(fù)雜的物理、化學(xué)變化.要建立數(shù)學(xué)模型,必須搞清楚液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑充模過程機理,然后對這一過程進行簡化.

液態(tài)樹脂在模具型腔內(nèi)的流動如圖2所示.流入模具的樹脂在離心力的作用下分布在模具內(nèi)表面隨模具旋轉(zhuǎn).在樹脂與模具斷面接觸部分將產(chǎn)生壓力 P,此壓力將迫使樹脂向模具另一端流動而浸潤纖維,模具中產(chǎn)生壓力的部分稱為壓力腔.通過控制樹脂的加入量可將壓力 P處理成定值.圖3所示為熱固性樹脂黏度曲線[4].該工藝要求樹脂的充模應(yīng)在曲線中水平部分所在時間內(nèi)完成,即最長充模時間應(yīng)小于樹脂固化時間.由此可見,充模階段樹脂黏度變化不大.因此,充模過程中可將樹脂黏度視為不變.從以上充模過程分析可以看出,液態(tài)樹脂在模具型腔內(nèi)的流動屬于帶有自由表面、粘性、非穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流體滲流.流體在多孔介質(zhì)中的滲流可用達西定理來描述:

圖2 樹脂在模具型腔內(nèi)的流動示意圖

圖3 熱固性樹脂黏度變化曲線

程(1)可展開為:

式中:kij(i,j=x,y,z)是直角坐標(biāo)下滲透率張量的3個分量;u、v和w是3個速度分量.為了保持樹脂的質(zhì)量平衡,速度場必須滿足散度條件:

在笛卡爾坐標(biāo)系下,式(3)可展開為:

聯(lián)立式(1)、式(3)可得:

在某一控制體內(nèi)對式(5)進行積分及格林變換,可得到充?；究刂品匠虨?

方程(6)是建立在質(zhì)量守恒原理上用于求解各向異性多空介質(zhì)流動問題的有限元方程.這一方程可通過控制體積有限元法求解充模過程的流動壓力場問題.求解該控制方程的方法很多,可以使用Sola-vof方法進行求解.Sola部分的任務(wù)是迭代求解流動域內(nèi)各單元的速度、壓力值,vof部分的任務(wù)是處理流動前沿的推進變化.

3 有限元模擬

為了進一步在理論上驗證該工藝的可行性并優(yōu)化工藝參數(shù),我們采用ANSYS/FLORTRON有限元軟件對模腔內(nèi)樹脂流動性進行模擬.由以上工藝過程分析和數(shù)學(xué)模型建立可知,該工藝方案的充模壓力是由模具一端高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力造成的.因此要首先計算出離心力產(chǎn)生的壓力大小,然后將此壓力耦合到后面流場進行充模分析.壓力 P可按下式計算.

式中:ρ為樹脂密度;ˉω為模具旋轉(zhuǎn)角速度;r為圓筒模具半徑;b、h為模具壓力腔尺寸,如圖4所示.

圖4 模具壓力腔尺寸示意圖

由于模型為對稱結(jié)構(gòu),所以可以建立二維有限元模型,而將模具的旋轉(zhuǎn)處理為加速度邊界條件.又因為重力遠小于離心力,可忽略重力加速度的影響.多孔介質(zhì)可通過設(shè)定有限元單元實常數(shù)來模擬.本有限元計算參數(shù)主要有:樹脂密度ρ;樹脂黏度μ=0.8 Pa·s;纖維織物滲透率 K(各向同性)=1.4×10-9m-2;充模長度L=0.8 m;模腔厚度 a=0.02 m;模具半徑 r=0.08 m;壓力腔寬度 b=0.04 m;壓力腔高度 h=0.04 m.根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型和假設(shè),應(yīng)用通用有限元分析軟件ANSYS對液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)充模過程進行模擬,使用fluid141單元類型劃分四邊形網(wǎng)格.

在ANSYS程序后處理模塊中,可以模擬顯示樹脂逐漸充滿模腔的動態(tài)過程.通過這一動態(tài)顯示可以直觀看出不同模具旋轉(zhuǎn)速度下模腔內(nèi)流體的流動行為.圖5所示為不同旋轉(zhuǎn)速度的充模情況.

圖5(a)—(e)是不同轉(zhuǎn)速條件下各時刻樹脂流動前沿位置,圖中灰色部分表示樹脂,黑色部分表示未被樹脂充填的模具型腔.為了更清楚地表示各轉(zhuǎn)速下樹脂流動前沿位置,我們將每個轉(zhuǎn)速下10個圖形進行了合并,并使用曲線表示樹脂流動前沿,這些處理可在Adodb Imageready應(yīng)用軟件中進行,處理后結(jié)果如圖6所示.

圖5 充模模擬結(jié)果

液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑工藝中最重要的參數(shù)是模具的旋轉(zhuǎn)速度.由以上分析可以看出,充模驅(qū)動力是由于樹脂離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,如果旋轉(zhuǎn)速度過低,無法產(chǎn)生足夠大的充模壓力,就會造成“欠充”,即樹脂不能完全充滿模腔的現(xiàn)象.由圖5可以看出,模具旋轉(zhuǎn)速度較低時的充模時間遠大于模具轉(zhuǎn)速較高時的充模時間.由圖6可以看出,模具轉(zhuǎn)速較高時樹脂流動不均衡,模具壁處樹脂流動速度較高,這是由于模具旋轉(zhuǎn)速度較高,離心力較大,在離心力作用下樹脂將優(yōu)先浸潤靠近模具處纖維.這樣容易在制品內(nèi)表面形成干斑和氣泡.這與實驗結(jié)果較為吻合.

圖6 不同轉(zhuǎn)速下樹脂流動前沿曲線

圖7 模具旋轉(zhuǎn)速度與充模時間關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

本文所述液態(tài)樹脂高速旋轉(zhuǎn)模塑工藝能夠克服低速條件下制品內(nèi)部易于產(chǎn)生氣泡的缺陷,并且由于模具的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大離心力,減少了樹脂浸潤纖維的時間,提高了工藝效率.利用ANSYS有限元分析軟件能夠模擬樹脂在模腔內(nèi)的流動情況,得到充模完成時間,可為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù),也可為優(yōu)化工藝提供參考.

[1] 張恒.塑料及其復(fù)合材料的旋轉(zhuǎn)模塑成型[M].北京:科學(xué)出版社,1999:1-10.

[2] 王政,楊荊泉,陳世謙.塑料旋轉(zhuǎn)模塑制造技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:2-6.

[3] 張軍,宋本超,張恒,等.長纖維增強液態(tài)反應(yīng)性樹脂復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝氣泡形成機理研究[J].材料導(dǎo)報,2006,20(8):143-145.

[4] 張軍,張恒,蔡紅,等.不飽和聚酯樹脂旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝實驗研究[J].中國塑料,2006,20(3):78-80.

[5] 宋本超.旋轉(zhuǎn)模塑成型長纖維增強樹脂基復(fù)合材料制品研究[J].塑料科技,2006(3):31-34.

Analysis of High-speed Rotational Molding with Liquid Resin

SONG Ben-chao
(Zaozhuang Vocational College of Science&Technology,Tengzhou 277500,China)

A new technology of high-speed rotational molding with liquid resin was introduced.The technique and molding principle was studied.The flow in the die was analysised and simulated in ANSYS.The flow front edge and filling time are obtained.This results are useful for making processing parameter.

roto-molding;centrifugal force;long fibre reinforced;flow front edge

TQ320.66

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.012

1671-6906(2011)04-0052-04

2011-07-01

宋本超(1982-),男,山東東明人,講師,碩士.